微生物学：第三章 病毒与亚病毒因子

1、病毒与亚病毒因子病毒的发现和研究历史病毒的一般概念病毒的形态构造病毒(噬菌体)的繁殖亚病毒1. 病毒发现前期：病毒发现前期：一、病毒的发现和研究历史一、病毒的发现和研究历史人类认识病毒主要经历了四个时期：人类认识病毒主要经历了四个时期：公元前公元前1500年，埃及王朝时代的浮雕，最早留下了病毒的证据；年，埃及王朝时代的浮雕，最早留下了病毒的证据；17世纪，欧洲的郁金香热世纪，欧洲的郁金香热:一株得病郁金香球茎竟能换来牛、猪、一株得病郁金香球茎竟能换来牛、猪、羊甚至成吨的谷物或上千磅的奶酪羊甚至成吨的谷物或上千磅的奶酪郁金香花叶病毒，这可能是最早发现的植物病毒郁金香花叶病毒，这可能是最早发现的植

2、物病毒2. 病毒发现时期：病毒发现时期：1886年，德国，年，德国，A. Mayer 发现具有传染性的烟草花叶病；发现具有传染性的烟草花叶病；1892年，俄国，年，俄国，D. Ivanovski发现烟草花叶病病原体能通过细菌发现烟草花叶病病原体能通过细菌滤器：滤器： 一种能通过细菌滤器的一种能通过细菌滤器的”细菌毒素细菌毒素”或极小的细菌或极小的细菌1898年，荷兰，年，荷兰， Beijerinck对烟草花叶病病原体的研究结果：对烟草花叶病病原体的研究结果：t 能通过细菌滤器；能通过细菌滤器；t 可被乙醇沉淀而不失去其感染性，可被乙醇沉淀而不失去其感染性，t 用培养细菌的方法不能被培养出来，推

3、测只能在植物活细胞中生活；用培养细菌的方法不能被培养出来，推测只能在植物活细胞中生活； 病原是一种比细菌还小的病原是一种比细菌还小的“有传染性的活的流质有传染性的活的流质”。 将其命名为病毒将其命名为病毒(Virus) 3. 病毒粒子的电镜分析和化学分析时期：病毒粒子的电镜分析和化学分析时期：1935年，美国，年，美国，W M Stanley首次首次提纯并结晶提纯并结晶了烟草花叶病毒；了烟草花叶病毒； Bawden等证明烟草花叶病毒的本质为核蛋白；等证明烟草花叶病毒的本质为核蛋白；1940年，德国，年，德国，Kausche首先用电镜观察到烟草花叶病毒颗粒；首先用电镜观察到烟草花叶病毒颗粒；4.

4、 病毒的分子生物学研究时期：病毒的分子生物学研究时期：1952年，年，Hershey 和和 Chase利用同位素证实噬菌体的遗传物质利用同位素证实噬菌体的遗传物质 仅是仅是DNA，开创了病毒分子生物学的先声。，开创了病毒分子生物学的先声。1971年起，陆续发现了各种亚病毒。如类病毒、卫星病毒、年起，陆续发现了各种亚病毒。如类病毒、卫星病毒、 卫星卫星RNA、朊病毒等、朊病毒等 1935年诺贝尔化学奖得主美国生化学家斯坦利第一次将病毒提纯出来，得到了一些结晶体。后来，许多科学家将各种各样的病毒提纯出来，均为结晶体。这些结晶体（病毒）表现不出任何的生命特征，但是将这些结晶体移入生物体内，病毒就会大

5、量繁殖，并使生物体致病。至今美国加州大学原斯坦利实验室里保存的他当时提纯的病毒结晶仍然具有致病力。病毒引起的烟草花叶病病毒引起的烟草花叶病天花天花口蹄疫口蹄疫甲肝甲肝麻疹麻疹焚烧病牛尸体焚烧病牛尸体疯牛病疯牛病病毒病毒(Virus)形体微小，但形态各异，形体微小，但形态各异，具有与一般生物不同的特殊生理结构。具有与一般生物不同的特殊生理结构。非细胞非细胞生物生物(真真)病毒病毒:至少含核酸和蛋白质二组分至少含核酸和蛋白质二组分亚病毒亚病毒类病毒类病毒:只含具侵染性的只含具侵染性的RNA组分组分拟病毒：只含不具独立侵染性的拟病毒：只含不具独立侵染性的RNA组份组份卫星病毒：与真病毒伴生的缺陷病毒

6、卫星病毒：与真病毒伴生的缺陷病毒卫星卫星RNA:只含有不具侵染性的只含有不具侵染性的RNA组分组分朊病毒朊病毒:只含蛋白质只含蛋白质一 概述2 病毒的特点（1）微生物病毒：侵染细菌、放线菌等原核微生物的）微生物病毒：侵染细菌、放线菌等原核微生物的病毒，通常称为噬菌体。病毒，通常称为噬菌体。（2）植物病毒：）植物病毒：（3）脊椎动物病毒：）脊椎动物病毒： （4）昆虫病毒：）昆虫病毒：3 3 种类种类 不同病毒的毒粒大小差别很大不同病毒的毒粒大小差别很大葡萄球菌(1000nm） 牛痘病毒300250nmABCDEFG立克次体450nm衣原体390nmA、大肠杆菌噬菌体、大肠杆菌噬菌体 ( 65 9

7、5nm )B、腺病毒、腺病毒 (70nm )C、脊髓灰质炎病毒、脊髓灰质炎病毒 (30nm )D流行性乙型脑炎流行性乙型脑炎 病毒病毒( 40nm ) E、卵蛋白分子、卵蛋白分子 (10nm )F、流感病毒、流感病毒 ( 100nm )G、烟草花叶病毒、烟草花叶病毒基本形态基本形态球状球状杆状杆状蝌蚪状蝌蚪状另外还有子弹状、丝状、卵圆形、砖状等另外还有子弹状、丝状、卵圆形、砖状等核心：DNA或RNA衣壳：衣壳粒蛋白基本结构基本结构核心核心位于中心的核酸位于中心的核酸衣壳衣壳包围在核心周围的蛋白质包围在核心周围的蛋白质核心核心和和 衣壳衣壳合称合称核衣壳核衣壳，为病毒的基本结构。有些复杂的病，为

8、病毒的基本结构。有些复杂的病毒在衣壳的外面包裹着一层由脂类和多糖组成的毒在衣壳的外面包裹着一层由脂类和多糖组成的包膜包膜。有的。有的包膜上还长有包膜上还长有刺突刺突。病毒粒子病毒粒子(virion)具有具有侵染力侵染力、成熟成熟的，位于细胞外的，位于细胞外环境中的结构环境中的结构完整的单个完整的单个病毒，又称病毒，又称病毒颗粒病毒颗粒。螺旋对称壳体：亚基有规律地沿着中心轴（核酸）呈螺旋排列，进而形成高度有序、对称的稳定结构。2、病毒粒的对称结构、病毒粒的对称结构呈直呈直杆状杆状，长，长300nm300nm，宽，宽15nm15nm，中，中空内径空内径4nm4nm，由由158158个氨基酸组成一个

9、衣壳粒，个氨基酸组成一个衣壳粒，相对分子量为相对分子量为1750017500，总共，总共21302130个衣个衣壳粒，排列成壳粒，排列成130130圈螺旋圈螺旋；核酸核心是核酸核心是ssRNAssRNA，相对分子质量，相对分子质量为为260260万，含有万，含有63906390个核苷酸，每个核苷酸，每3 3个核苷酸与一个衣壳粒相结合，盘个核苷酸与一个衣壳粒相结合，盘绕于蛋白质的中空内径中。绕于蛋白质的中空内径中。螺旋状对称型：烟草花叶病毒（螺旋状对称型：烟草花叶病毒（TMVTMV）二十面体对称壳体：构成对称结构壳体的第二种方式是蛋白质亚基围绕具立对称的正多面体的角或边排列，进而形成一个封闭的蛋

10、白质的鞘。复合对称壳体：具有复合对称结构的典型例子是有尾噬菌体（tailed phage）,其壳体由头部和尾部组成。包装有病毒核酸的头部通常呈二十面体对称，尾部呈螺旋对称。衣壳 衣壳蛋白：占95%，2130个衣壳粒核心RNA：占5%，ssRNA形状：二十面体腺质体致病性：消化道炎症等。12个顶角20个面30个边衣壳：252个衣壳粒 12个五邻体，240个六邻体核心：dsDNA，线状（c）T偶噬菌体-复合对称目前噬菌体基本形态分为3种蝌蚪形 微球形 丝状椭圆形20面体衣壳粒212个内含DNA和中心蛋白螺旋对称衣壳粒144个注射核酸的通道噬菌体细菌培养物培养液营养琼脂平板细菌培养液变清亮细菌平板成

11、为残迹平板（a） 以细菌为接种物动物病毒实验动物鸡胚多种细胞培养n大多数动物病毒感染敏感细胞培养能引起其显微表现的改变，即产生致细胞病变效应（cytopathic effect,CPE），例如细胞聚集成团、肿大、圆缩、脱落，细胞融合形成多核细胞，细胞内出现包涵体（inclusion body），乃至细胞裂解等。n若标本经过适当稀释进行接种并辅以染色处理，病毒可在培养的细胞单层上形成肉眼可见的局部病损区域，即蚀斑（plaque）或称空斑。（b）以动物为接种物植物病毒敏感植物叶片产生坏死斑，或称枯斑C 以植物为接种物烟草花叶病毒花生斑驳病毒病一种病毒只含有一种核酸（一种病毒只含有一种核酸（DNA或

12、或RNA）。）。 植物病毒绝大多数含植物病毒绝大多数含RNA；少数含；少数含DNA； 动物病毒一部分含动物病毒一部分含DNA，一部分含，一部分含RNA； 细菌病毒普遍含细菌病毒普遍含DNA，含，含RNA的极少。的极少。病毒的核酸类型极为多样化：病毒的核酸类型极为多样化： 病毒的病毒的DNA与与RNA均有单链和双链：均有单链和双链： dsDNA ssDNA dsRNA ssRNA 病毒DNA分子有线状和环状之分。病毒核酸有正链（+）和负链（-）的区分。单、双链之分单、双链之分环状，线状之分环状，线状之分(闭合闭合,开放开放) 正负链之分正负链之分有的病毒只有一种蛋白质，多数含有为数不多的几种蛋白

13、质。有的病毒只有一种蛋白质，多数含有为数不多的几种蛋白质。病毒蛋白质的氨基酸组成与其他生物一样，但不同病毒蛋白质的氨病毒蛋白质的氨基酸组成与其他生物一样，但不同病毒蛋白质的氨基酸组成和含量各不相同。基酸组成和含量各不相同。病毒蛋白质主要在构成病毒结构、病毒的侵染与增殖过程中发挥作病毒蛋白质主要在构成病毒结构、病毒的侵染与增殖过程中发挥作用：用： 1. 结构功能结构功能 2. 吸附吸附 3. 增殖增殖 4. 4. 破坏宿主细胞壁与细胞膜破坏宿主细胞壁与细胞膜( (侵入、释放侵入、释放) )一些较复杂的病毒（如包膜病毒）除含有核酸和蛋白一些较复杂的病毒（如包膜病毒）除含有核酸和蛋白质两种成分外，还

14、含有脂类、多糖等其他成分。质两种成分外，还含有脂类、多糖等其他成分。病毒中的病毒中的脂类脂类主要以脂质双分子层的形式主要以脂质双分子层的形式存在存在于病毒于病毒的包膜中。的包膜中。病毒所含的病毒所含的糖类糖类主要以糖蛋白或糖脂的形式主要以糖蛋白或糖脂的形式存在存在于包于包膜的表面，决定着病毒的抗原性。膜的表面，决定着病毒的抗原性。核酸核酸 决定病毒遗传、变异和复制决定病毒遗传、变异和复制 蛋白质蛋白质支架结构和抗原成分，保护核酸支架结构和抗原成分，保护核酸 核心核心衣壳衣壳包膜包膜类脂类脂与病毒的宿主专一性和侵入等有关与病毒的宿主专一性和侵入等有关病毒分类的依据病毒分类的依据 基因组性质与结构

15、；基因组性质与结构； 衣壳对称性；衣壳对称性； 有无包膜；有无包膜； 病毒粒子的大小、形状；病毒粒子的大小、形状； 对理化因素的敏感性；对理化因素的敏感性； 病毒脂类、碳水化合物、结构蛋白和非结构蛋白的特征；病毒脂类、碳水化合物、结构蛋白和非结构蛋白的特征； 抗原性；抗原性； 生物学特性（繁殖方式、宿主范围、传播途径和致病性）。生物学特性（繁殖方式、宿主范围、传播途径和致病性）。 三病毒的复制三病毒的复制病毒的特点：病毒的特点：严格细胞内寄生物，只能在活细胞内繁殖。严格细胞内寄生物，只能在活细胞内繁殖。毒粒毒粒宿主细胞宿主细胞具有感染性毒粒消失具有感染性毒粒消失病毒基因组复制、表达病毒基因组复

16、制、表达病毒核酸和蛋白质病毒核酸和蛋白质装配形成具有感染性的毒粒装配形成具有感染性的毒粒释放至细胞外释放至细胞外原料；原料；能量；能量；生物合成场所；生物合成场所；有繁殖性的病毒基因组有繁殖性的病毒基因组三三 病毒的复制病毒的复制病毒的复制：病毒的复制：病毒感染敏感宿主细胞后，病毒核酸进入细胞，通过其复制与表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质，然后由这些新合成的病毒组分装配（assembly）成子代毒粒，并以一定方式释放到细胞外。病毒的这种特殊繁殖方式称做复制（replication）。病毒的种类很多，它们的增殖方式既有共性又有各自的特点，这里拟以研究得最为深入的E.coli T偶数噬菌体为代表

17、，讲述病毒的增殖过程。复制周期（复制周期（replicative circle）：）：自病毒吸附于细胞开始，到子代病毒从感染细胞释放到细胞外的病毒复制过程。三 病毒的复制病毒感染的起始1、吸附：毒粒敏感细胞随机碰撞而接触（静电引力或氢键）可逆吸附，无特异性（非细胞颗粒也可吸附）病毒表面蛋白与细胞受体的结合特异性，不可逆吸附，启动病毒感染的第一阶段不同种系的细胞具有不同病毒的细胞受体，病毒受体的细胞种系特异性决定了病毒的宿主范围。尾丝尖端与宿主细胞表面的特异受尾丝尖端与宿主细胞表面的特异受体接触，触发体接触，触发尾丝散开尾丝散开，附着在受，附着在受体上，体上，随之把刺突、基板固定随之把刺突、基板

18、固定。病毒表面的病毒表面的病毒吸附蛋白病毒吸附蛋白(VAP)(VAP)与宿主细胞表面的与宿主细胞表面的病毒受体病毒受体特异性结合，导致病毒附着于细胞表面的过程。特异性结合，导致病毒附着于细胞表面的过程。病毒吸附蛋白：病毒吸附蛋白：尾丝蛋白尾丝蛋白病毒受体：脂多糖、脂蛋白等病毒受体：脂多糖、脂蛋白等1、吸附：、吸附：吸附于大肠杆菌菌体上的噬菌体2、侵入：、侵入：侵入又称病毒内化，它是一个病毒吸附后几乎立即发生，依赖于能量的感染步骤。不同的病毒-宿主系统的病毒侵入机制不同2、侵入、侵入：有尾噬菌体： 以注射方式将噬菌体核酸注入细胞通过尾部刺突固着于细胞；尾部的酶水解细胞壁的肽聚糖，使细胞壁产生小孔

19、；尾鞘收缩，核酸通过中空的尾管压入胞内，蛋白质外壳留在胞外；吸附固着尾鞘收缩尾管穿入DNA注入2、侵入：、侵入：动物病毒裸露病毒穿过细胞膜的 移位方式；细胞的内吞功能；细胞质小泡内毒粒包膜与细胞质 膜的融合；2、侵入：、侵入：植物病毒：通过因人为地或自然的机械损伤所形成的微伤口进入细胞；或者靠携带有病毒的媒介，主要靠是有吮吸式口器的昆虫取食将病毒带入细胞。植物病毒一旦进入细胞后，增殖产生的子代病毒或病毒核酸可通过病毒编码的运动蛋白（movement protein）与胞间连丝的相互作用从受染细胞进入邻近细胞。脱壳：脱壳：脱壳是病毒侵入后，病毒的包膜和/或壳体除去而释放出病毒核酸的过程。脱壳是病

20、毒基因组进行功能表达所必需的感染事件。T-偶数噬菌体脱壳与侵入是一起发生的动物病毒存在不同的结构类型和不同的侵入方式，其脱壳过程也较复杂。病毒的毒粒消失，失去原有的感染性，进入潜隐期。病毒基因组的表达与复制存在着强烈的时序性病毒基因组进入胞内宿主细胞的代谢发生改变病毒利用宿主的生物合成机构和场所，使病毒核酸表达和复制，产生大量的病毒蛋白质和核酸。3、复制：、复制：3、复制：、复制：新合成的毒粒结构组分组装成完整的病毒颗粒，称做病毒的装配。4、装配：、装配： DNA分子的缩合通过衣壳包裹DNA而形成头部尾丝和尾部其它部件独立装配完成 头部与尾部相结合装上尾丝4、装配：、装配：大多数噬菌体都是以裂

21、解细胞方式释放5、释放：、释放：成熟的病毒粒子从被感染细胞内转移到外界的过程。脂肪酶：水解细胞膜；溶菌酶：水解细胞壁纤丝状噬菌体（如M13或fd）不杀死细胞，子代毒粒以分泌方式不断从受染细胞中释放，并同时完成毒粒的组装。5、释放：、释放：一步生长曲线1、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞；2、数分钟后，加入抗噬菌体的抗血清（中和未吸附的噬菌体）；3、将上述混合物大量稀释，终止抗血清的作用；4、保温培养并定期检测培养物中的噬菌体效价（对噬菌体含量 进行计数）；5、以感染时间为横坐标，病毒的感染效价为纵坐标，绘制出 病毒特征性的繁殖曲线；该实验标志着分子病毒学、分子生物学和分子遗传学的建立Max

22、 Delbruck因此荣获1969年的诺贝尔奖一步生长曲线：定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线。一步生长曲线1 潜伏期从噬菌体吸附到细胞到释放出新噬菌体的最短时期。2 裂解期紧接在潜伏期后的一段宿主细胞迅速裂解、溶液中噬菌体粒子极具增多的一段时间。3 平稳期指感染后的宿主已全部裂解，溶液中噬菌体效价达到最高点后的时期裂解量：每个被感染细菌释放新的噬菌体的平均数。裂解量=潜伏期噬菌斑数平稳期噬菌斑数温和噬菌体的溶源性反应温和噬菌体的溶源性反应烈性噬菌体（virulent phage）：感染宿主细胞后能在细胞内正常复制并最终杀死细胞，形成裂解循环（lytic cycle）。温和噬菌体（lysog

23、enic phage）：感染宿主细胞后不能完成复制循环，噬菌体基因组长期存在于宿主细胞内，没有成熟噬菌体产生。这一现象称做溶源性（lysogeny）现象在大多数情况下，温和噬菌体的基因组都整合于宿主染色体中（如噬菌体），亦有少数是以质粒形成存在（如P1噬菌体）。整合于细菌染色体或以质粒形成存在的温和噬菌体基因组称做原噬菌体。原噬菌体阶段，噬菌体复制被抑制，宿主细胞正常生长繁殖，噬菌体基因组与宿主染色体同步复制，并随细胞分裂而传递给子代细胞。细胞中含有原噬菌体状态存在的温和噬菌体基因组的细菌称做溶源性细菌。溶源性细菌经自发裂解或诱发裂解，进入裂解循环溶源性感染对细胞的影响溶源性感染对细胞的影响被

24、温和噬菌体感染后形成的溶源性细菌具有“免疫性”，即其它同类噬菌体虽然可以再次感染该细胞，但不能增殖，也不能导致细菌裂解。溶源性细菌有时还能获得一些新的生理特性，例如白喉杆菌只有在含有特定类型的原噬菌体时才能产生白喉毒素，引起被感染机体发病。原噬菌体引起的溶源性细菌除免疫性外的其他的表形改变，包括溶源菌细胞表面性质的改变和致病性转变被称为溶源转变 (lysogenic conversion)。溶源菌中的温和噬菌体基因组通常不影响细胞的繁殖功能，但它们可能引起其他的细胞变化。(1) 免疫性免疫性(2) 溶源转变溶源转变 It is reported by the UN that in the wo

25、rld 40,000,000 people are living with HIV/AIDS , of whom 3,100,000 have died in 2010.n形状：球形，约形状：球形，约100nm，包膜，刺突。包膜，刺突。n核酸：核酸： 二条相同的二条相同的+ssRNA，5端部分端部分碱基互补配对成双体碱基互补配对成双体衣壳蛋白P24内膜蛋白P17gp41gp120形态结构形态结构主要表达在辅助性T细胞表面中枢神经细胞肠粘膜细胞等一类不具有完整病毒结构或功能的分子生一类不具有完整病毒结构或功能的分子生物，称为亚病毒。物，称为亚病毒。 类病毒类病毒(viroid(viroid）卫星

26、卫星因子因子(Satellites) (Satellites) 和卫星病毒和卫星病毒 (Satellite virus)(Satellite virus)朊病毒朊病毒(Prion)(Prion)其它类病毒卫星病毒是一类基因组缺损、必须依赖某形态较大的专一辅助病毒才能复制和表达的小型伴生病毒。例：烟草坏死病毒（TNV）与卫星病毒（STNV）1 一大一小两个二十面体病毒。2 TNV有独立感染能力。3 STNV无独立感染能力4 STNV与TNV的蛋白与核酸序列无同源性。卫星RNA是一类存在于某专一病毒粒（辅助病毒）的衣壳能，并完全依赖后者才能复制自己的小分子RNA病原因子。1 多个卫星RNA分子可与辅助病毒基因组存在于同一衣壳中2 对宿主植物无独立的侵染性3 其复制和包装全部依赖于辅助病毒而后者不依赖于前者4 不具有mRNA活性5 与辅助病毒的RNA无同源性6 能干扰辅助病毒的复制从而降低其增殖量7 可改变辅助病毒所引起的植物病害程度和症状8 它对辅助病毒侵染宿主不是必要条件新型克雅氏病可能是因为吃了患有疯牛病新型克雅氏病可能是因为吃了患有疯牛病的牛肉而引起的。的牛肉而引起的。病人健忘，肢体麻痹，不